La historia de la robótica moderna tiene su punto de partida en 1954 con
la patente de George C. Devol, Jr., seguida de la instalación en 1959 del
primer modelo de prueba “Unimate” en la planta de fundición inyectada de
General Motors en Turnstead y la creación en 1961 de Unimation Inc. El tiempo
transcurrido desde entonces ha contemplado un intenso desarrollo de la robótica
y, en concreto, de la denominada robótica industrial, de tal forma que los
robots, que llegaron a ser considerados el paradigma de la automatización
industrial, se han convertido en nuestros días en un elemento más, aunque
importante, de dicha automatización.
Al igual que otras
muchas ramas de la ciencia y la tecnología, la robótica nacía llena de promesas
de futuro de un desarrollo tan rápido e intenso que, en pocos años, habría
alcanzado metas que en aquellos momentos correspondían al ámbito de la ciencia
ficción. Las aportaciones de una informática en continuo desarrollo, junto a
las novedosas metodologías de la inteligencia artificial, permitían prever la
disponibilidad, en pocos años, de robots dotados de una gran flexibilidad y
capacidad de adaptación al entorno, que invadirían todos los sectores
productivos de forma imparable.
¿Ha sucedido así?
Solo parcialmente y, en algunos aspectos, muy por debajo de las previsiones.
Pasadas las primeras etapas de desarrollo realmente vertiginoso y en muy
diversos frentes, los problemas reales han frenado considerablemente las
expectativas y han obligado a reconocer que el avance va a ser mucho más lento
de lo esperado.
No obstante lo
indicado, la robótica industrial ha alcanzado un elevado grado de madurez, y la
compra e instalación de robots industriales en los entornos productivos ha
dejado de ser una aventura para convertirse en una opción razonable en muchos
contextos de la automatización.
Aunque la
apariencia de los robots industriales no ha cambiado significativamente y
muchos modelos actuales tienen una estructura y funcionamiento similares,
aunque a diferentes escala, a aquel primer PUMA que Unimation entregó en 1978
al centro de tecnología de General Motors en Warren, Michigan, lo cierto es que
tanto en los aspectos mecánicos como en el control y la programación, los
avances han sido importantes aunque no espectaculares. Los robots actuales son
más robustos, rápidos y fiables. Su capacidad de carga y repetitividad es
comparativamente superior, y su programación se ha facilitado
considerablemente.
Queda, no obstante,
un largo camino por recorrer y en la tercera sección de este artículo
intentaremos esbozar cuáles son previsiblemente las líneas futuras del desarrollo
de la robótica, en el mundo y en nuestro entorno más inmediato, España.
LA ROBÓTICA EN EL
MUNDO
La principal fuente
de información sobre la situación de la robótica en el mundo y sus previsiones
inmediatas es la publicación “World Robotics” [1] realizada conjuntamente por
la Comisión Económica para Europa de las Naciones Unidas (UN/ECE) y la
Federación Internacional de Robótica (IFR). Esta última recopila anualmente la
información de los países más significativos desde el punto de vista de la
robótica a través de las asociaciones nacionales de robótica de dichos países
que son miembros de la federación. La información se complementa con los datos
macro-económicos aportados por la UN/ECE y por la OCDE.
Dos familias de
robots
Hasta 1997, la
publicación anual conjunta de la UN/ECE y la IFR tenía el título “World
Industrial Robots”. En 1998, el título ha pasado a ser “World Robotics”.
De una forma
similar, la principal actividad organizada por la IFR, el “International
Symposium on Industrial Robots (ISIR)”, que viene realizándose anualmente de
forma ininterrumpida desde 1970, ha cambiado de nombre por primera vez en su
29ª edición celebrada en abril de 1998 en Birmingham, para pasar a llamarse
“International Symposium on Robotics (ISR)”.
¿A qué son debidos
estos cambios de denominación? Al reconocimiento de la importancia creciente de
una familia de robots que se ha desarrollado, aunque más lentamente, en
paralelo con la robótica industrial: la robótica de servicios.
La clásica
definición de la “Robotic Industries Association (RIA)” americana ha sido
sustituida por la de la norma ISO 8373. Según esta norma, “un robot industrial
manipulador es un manipulador programable en tres o más ejes, controlado
automáticamente, reprogramable y multifuncional, que puede estar fijado en un
lugar o ser móvil, y cuya finalidad es la utilización en aplicaciones de
automatización industrial”.
No existe aún, por
el contrario, una definición reglada de robot de servicio. A la espera de un
acuerdo sobre la misma, la IFR ha adoptado la siguiente definición provisional:
“Robot de servicio es un robot que opera de forma parcial o totalmente autónoma
para realizar servicios útiles para el bienestar de los humanos y del
equipamiento, excluyendo operaciones de manufactura”. Con esta definición, que
tendrá que ir siendo afinada con el tiempo, los robots industriales
manipuladores pueden ser considerados robots de servicio si están dedicados a
operaciones diferentes de la manufactura.
La IFR ha adoptado
también una clasificación provisional de los robots de servicio, por áreas de
aplicación:
- Servicio
a humanos (personal, protección, entretenimiento, ...)
- Servicio
a equipos (mantenimiento, reparación, limpieza, ...)
- Otras
funciones autónomas (vigilancia, transporte, adquisición de datos, ...)
En estos momentos,
el número de robots de servicio operando en todo el mundo se estima en unos
pocos miles y claramente por debajo de la cifra de 10.000 unidades. Estos
robots están realizando principalmente tareas de transporte y mensajería (p.
ej. en hospitales), limpieza, cirugía y asistencia a minusválidos, aunque se
espera su extensión a otras aplicaciones en un futuro próximo.
El mercado mundial
de robots
En el periodo 1987
– 1997, la venta anual de robots industriales tuvo un claro crecimiento hasta
1990, año en que se vendieron del orden de 81.000 unidades, para caer en los
años siguientes, debido principalmente al brutal descenso del mercado japonés,
hasta alcanzar un mínimo en 1993 con poco más de 54.000 unidades vendidas. Después
de una pequeña recuperación en 1994, el año siguiente contempló un espectacular
crecimiento de casi un 29% que se moderó a un 11% 1996 y a un 6,5% en 1997, año
en el se ha alcanzado la cifra récord de casi 85.000 unidades vendidas.
El número total
estimado de robots operativos al final de 1997 supera la cifra de 711.000, con
un crecimiento del 6,4% respecto al año anterior. De ellos, Japón, con
prácticamente 413.000 robots, se lleva la parte del león y junto con los otros
cinco grandes países en robótica, totalizan casi 611.000 robots, quedando
únicamente 100.000 para el resto del mundo.
El mercado anual de
robots se mueve alrededor de la cifra de 5.000 millones de dólares, con un
ligero descenso en 1997, pese al incremento de ventas de robots. Este hecho
pone de manifiesto el continuo descenso del precio de los robots desde 1990,
que en periodo 1990 – 97 ha supuesto un decremento en dólares corrientes que va
desde algo más del 21% en EEUU hasta el casi 50% en Francia. No obstante ha de
tenerse en cuenta que, tal como indica destacadamente el informe UN/ECE-IFR, el
precio del robot sólo representa en media un 30% del coste total del sistema.
En cuanto a las
áreas de aplicación, el 29,2% de los robots instalados en 1997 han estado
dedicados a soldadura (13,2% al arco y 15,7% por puntos) que ha sido la
aplicación mayoritaria, seguida por montaje (25,7%), manipulación (13,1%),
mecanizado (8,7%) y paletización (3,1%). Estos porcentajes varían
considerablemente cuando se refieren al total de robots operativos al final de
1997. En este caso, el montaje se destaca claramente con un 33,3%, pasando la
soldadura a un segundo puesto, con un 23,9%. A mecanizado le corresponde el
9,6%, a manipulación, el 7,2% y a paletizado, el 2,8%. Únicamente del orden de
5.600 robots en todo el mundo (0,9%) están dedicados a enseñanza e
investigación.
Por sectores
industriales, la fabricación de vehículos automóviles es claramente el sector
mayoritario, rozando el 30% del total, tanto en nuevas instalaciones de robots
como en número de robots operativos.
En cuanto a los
tipos de robots, los de 5 ó más ejes instalados en 1997 representan el 65% del
total, mientras que los de 3 y 4 ejes se reparten el resto en partes
aproximadamente iguales. Los robots angulares (con al menos tres articulaciones
de rotación) suponen el 47,1% de los robots instalados en 1997. A este
respecto, cabe destacar el reducido número de nuevas instalaciones de robots
SCARA que alcanza solamente el 2,6% del total, únicamente por encima de los
robots paralelos (cuyos brazos tienen articulaciones prismáticas o de rotación
concurrentes) que tienen el 0,5%. Finalmente, los robots de trayectoria
continua controlada representan la inmensa mayoría (82,4%) de los instalados en
1997.
La situación en
España
Desde su fundación
e inicialmente en colaboración con la “Revista de Robótica”, la Asociación
Española de Robótica (AER) se encarga de realizar las estadísticas
anuales de robots industriales en España y de suministrarlas a la IFR.
La venta de robots
industriales en España durante 1997 ha sido de 1.203 unidades, lo que
constituye la cifra más alta de robots vendidos en un año y representa un
incremento del 6% sobre la cifra del año anterior. Con ello, el parque de
robots operativos a final de 1997 alcanza la importante cifra de 7.682, según
datos de la AER, lo que nos sitúa en el noveno puesto mundial y en el quinto
europeo. Gracias a este parque de robots, España ha sido recientemente admitida
como “major country” dentro de la IFR.
Siguiendo la misma
evolución que el conjunto mundial, la instalación de robots industriales en
España tuvo un mínimo en 1993, con 461 unidades, pero la tendencia creciente se
ha recuperado decididamente en los años posteriores. Por lo que hace referencia
a las áreas de aplicación, España se separa claramente de la media mundial, con
un 42,5% de los robots instalados en 1997 dedicados a soldadura (frente al
29,2% mundial) y únicamente un 2,2% (frente a un 25,7%) dedicados a montaje.
Esta desviación frente a la media mundial vuelve a producirse en las
aplicaciones del parque de robots operativos al final de 1997: en España el
52,3% está dedicado a soldadura (frente al 23,9% mundial) y el 4,6% a montaje
(frente al 33,3%). Estas cifras indican de manera inequívoca el déficit en
España de utilización de robots en aplicaciones distintas de la soldadura y, en
particular, su baja implantación en tareas de montaje, lo que supone una
asignatura pendiente en la automatización de nuestras industrias.
También por
sectores industriales la situación en España está sesgada con referencia a la
media mundial, ya que en la industria automotriz los porcentajes, tanto de robots
instalados en 1997 como del parque de robots, superan en más del doble a los
porcentajes correspondientes de la media mundial. Con respecto a los
principales países europeos, esta diferencia se reduce considerablemente: en
España, el 66,7% de los robots instalados en 1997 lo fueron en la industria
automotriz, frente al 49,3% en el conjunto europeo, y el parque español en
dicha industria es del 59,7% frente al 45,5% de media en Europa.
En España los
robots de 5 ó más ejes constituyen la inmensa mayoría de los robots instalados
en 1997, con un porcentaje de casi el 84%. Igualmente, los robots articulados
muestran una supremacía total frente a las otras estructuras mecánicas que, en
conjunto, solamente alcanzan el 16,1%. Estas cifras muestran la misma tendencia,
aunque con valores superiores, que la media mundial. Sorprende, por el
contrario, que la situación sea completamente a la inversa cuando se analiza el
modo de control de los robots. En España los robots secuenciales constituyen el
71,5% de los instalados en 1997 frente al 8,5% de media en un conjunto de
países avanzados. Esta enorme discrepancia hace sospechar una interpretación
poco ajustada a nivel español de la norma ISO 8373 que define los modos de
control de los robots industriales.
La estadística
española muestra también la penetración en nuestra industria de los diferentes
fabricantes de robots. ABB continúa siendo el primero tanto en robots
instalados en 1997 como en parque operativo, seguida de KUKA en el primer
concepto y de FANUC en el segundo.
PRINCIPALES
TENDENCIAS
Hacer previsiones
sobre la evolución de la robótica, como sobre la de cualquier tecnología en
rápido desarrollo, es siempre difícil y arriesgado. La historia reciente de la
robótica, tal como se comenta en la introducción, está plagada de previsiones
no cumplidas y esperanzas no confirmadas. No obstante, es siempre conveniente
mirar hacia el futuro y, con las salvedades del caso, se indican en este
apartado algunas de las tendencias previsibles a corto y medio plazo.
Para este cometido,
resulta especialmente útil analizar las inquietudes y desarrollos puesto de
manifiesto en los congresos internacionales sobre la materia, como, por
ejemplo, el IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA) [2]
[3], de carácter científico, y el International Symposium on Robotics (ISR) [4]
[5], con orientación aplicada. Ambos tienen periodicidad anual y reúnen a un
buen número de especialistas en el campo.
Arquitectura de
robots
La estructura
mecánica condiciona tanto el espacio de trabajo como las prestaciones que
pueden esperarse de un robot manipulador. Por este motivo ha sido objeto de
numerosos estudios en el intento de lograr estructuras que puedan sustituir con
ventaja a las tradicionales, al menos en determinadas aplicaciones. A pesar de
las numerosas propuestas realizadas, ninguna de ellas se ha abierto camino de
una manera clara en el ámbito industrial. Tal como ha quedado reflejado en el
apartado 2.2, los denominados robots angulares acaparan casi la mitad del mercado
mundial y los más novedosos robots paralelos solamente representan el 0,5% de
los robots instalados en 1997.
No obstante, la
investigación en este campo continúa adelante y son de esperar avances en el
mismo. En lo que hace referencia a las articulaciones, dos interesantes
paradigmas marcan los objetivos a alcanzar. Por un lado, la articulación tipo
nudillo que se caracteriza por su ligereza, tamaño reducido, precisión y
rapidez, y, por otro, la de tipo rodilla, paradigma de relación entre diseño mecánico,
control complejo y suspensión activa.
Los actuadores de
accionamiento directo, evitando transmisiones que pueden dar lugar a
oscilaciones o comportamientos inadecuados, parecen tener un futuro prometedor.
De la misma forma, los motores de estado sólido, especialmente en microrobótica
pueden tener un importante desarrollo. Dentro de este campo puede también
mencionarse el diseño conjunto actuador-control, como un medio de conseguir
mejores prestaciones del robot.
En cuanto a los
sistemas de locomoción, aspecto esencial para los robots móviles, las ruedas
siguen siendo la opción de mayor futuro, si bien combinadas con algún tipo de
soporte articulado, activo o pasivo, para su utilización en terrenos
irregulares.
Control de
movimientos
En los últimos
años, los robots han constituido una planta excelente para la aplicación y
ensayo de numerosas técnicas de control. En este sentido, cabe mencionar el
control adaptativo, el control por modos deslizantes, las técnicas de
pasividad, el control difuso y el control neuronal, entre otros. Muchos de los
sistemas desarrollados han sido probados únicamente en simulación y no han sido
sometidos aún a una verificación experimental que permita su validación real.
No obstante,
diversos fabricantes de robots han incorporado mejoras derivadas de estos
desarrollos y puede apreciarse una paulatina mejora en las prestaciones de los
sistemas de control, ligada también, evidentemente, a la disponibilidad de
micro procesadores más rápidos y potentes. En esta línea, algunos fabricantes
han comenzado a incorporar en sus sistemas módulos de compensación dinámica que
permiten al robot cargado seguir con precisión trayectorias a velocidad
elevada.
La identificación
en línea del modelo del robot puede permitir mejorar su comportamiento dinámico
y supervisar su funcionamiento en vistas a detectar disfuncionalidades o fallos
del sistema.
Sensores y
percepción
La incorporación de
sensores a los robots que les permitan obtener información de su entorno e
interaccionar con él, ha sido mucho más lenta de lo previsto. Sensores como los
de tacto que en un momento dado fueron objeto de intensa investigación e,
incluso de comercialización en algunos casos, han quedado prácticamente
aparcados. No obstante, no parece demasiado arriesgado afirmar que el
desarrollo de la robótica futura, tanto de los robots manipuladores como de los
robots móviles, pasa en gran parte por la incorporación de nuevos y más
eficientes sensores.
En robots
manipuladores y, en concreto, para tareas de montaje y mecanizado en las que
existe contacto entre la pieza manipulada por el robot y el entorno, la
utilización de sensores de fuerza puede tener un incremento apreciable a medio
plazo. Esta utilización se verá facilitada por el abaratamiento del coste de
los sensores, y la disponibilidad de procesadores para el tratamiento en tiempo
real de su información, y de estrategias eficientes de ejecución de esas tareas
que hagan uso efectivo de la información de fuerza.
Los sistemas de
visión seguirán siendo, en cualquier caso, los más utilizados y los de mayor
desarrollo futuro, tanto para los robots manipuladores como para los robots
móviles, aunque para estos últimos los sensores de proximidad y distancia sigan
constituyendo un elemento esencial. La iluminación controlada aparece como uno
de los factores fundamentales de los sistemas de visión futuros. Aspectos como
la posición y tipo de los focos, la utilización de luz estructurada y la
explotación de las posibilidades de la longitud de onda y de la polarización
serán, sin duda, de gran importancia en dichos sistemas.
Por otro lado, la
incidencia de los modelos, especialmente de representación jerárquica, de los
programas oportunistas y de la selección automática de dichos modelos de
acuerdo con el objetivo perseguido, tendrán una creciente importancia de cara
al procesado de la información de las imágenes. Igualmente, los futuros
sistemas de visión harán un uso creciente del color, de la información 3D y de
las técnicas de visión activa como el seguimiento y el flujo óptico.
Mención especial
merecen las técnicas de integración sensorial que tienen como objetivo combinar
la información procedente de diversos sensores para construir y actualizar un
modelo del entorno en vistas a un objetivo determinado. Estas técnicas han de
permitir, por un lado, un uso más eficiente de los sensores disponibles con un
incremento de la cantidad y de la calidad de la información obtenida, y, por
otro lado, la detección de errores y fallos en algún sensor, y la continuidad
del funcionamiento, aunque degradado, del sistema.
Programación,
planificación y aprendizaje
La interfase
hombre-máquina y, en concreto, la programación de los robots para la ejecución
de las tareas es uno de los temas básicos para la efectiva expansión de los
robots en los ambientes industriales. Uno de los temas recientes de discusión
es la necesidad o conveniencia de alcanzar un estándar sobre un lenguaje de
programación para robots que pudiese ser convertido por software en el lenguaje
específico de cada robot. Sobre este punto, diversos fabricantes han expresado
opiniones contrapuestas, pero parece haber un consenso generalizado sobre la
necesidad de hacer más fácil, seguro y eficiente para el usuario el desarrollo
de aplicaciones robotizadas.
En esta dirección
cumple un papel decisivo la programación fuera de línea, que no ocupa tiempo de
trabajo del robot, asistida de la simulación gráfica y de elementos como el
posicionamiento relacional que facilita la obtención de posiciones y
orientaciones que ha de alcanzar el robot.
La planificación de
tareas fue un tema de boga hace unos años que quedó después en un segundo plano
debido a la dificultad de realizar planificadores realistas y utilizables en un
entorno industrial. En estos momentos, los objetivos son claramente más
modestos y la planificación se orienta más como una ayuda a la programación en
tareas complejas que como un sistema autónomo. Ejemplos de este enfoque son la
planificación de movimientos sin colisión, de la acomodación activa en tareas
de montaje con robots y de las curvas de pulido en el acabado de piezas. En
todo caso, los planificadores, para ser realistas, deben tener en cuenta la
incertidumbre siempre presente en la ejecución de una tarea y la utilización de
los sensores disponibles para llevar a cabo la misma.
La programación
reactiva y el aprendizaje son otras técnicas prometedoras aunque todavía
incipientes en el entorno industrial. La introducción del aprendizaje en el
campo de la robótica viene motivado básicamente por la necesidad del robot de
adquirir automáticamente los conocimientos necesarios para la realización de
determinadas tareas. Esta necesidad es debida, en algunos casos, a la
existencia de tareas difíciles de programar pero cuya forma de realización
puede ser mostrada fácilmente al robot. Otras veces, el problema es que la
información necesaria para programar el robot no es accesible y el robot ha de
adquirir ese conocimiento mediante la exploración. Un caso similar se produce
en entornos dinámicos en los que el robot ha de ser capaz de tener constantemente
actualizado el conocimiento de los mismos.
Integración de
robots
Tal como se ha
mencionado en la introducción, el robot industrial es cada vez más un elemento
dentro de un sistema automático de producción. En este sentido, adquiere una
gran importancia la integración del robot con otros robots y con otras
máquinas.
En el campo de la
cooperación entre robots pueden mencionarse como temas abiertos el reparto de
tareas entre los distintos robots, el control combinado fuerza-posición en la
manipulación conjunta por parte de varios robots y la evitación de colisiones
entre ellos.
La integración de
robots en celdas robotizadas pone de manifiesto una serie de problemas hasta
ahora resueltos solamente de forma parcial, como son el diseño de la
arquitectura de la célula, la comunicación entre máquinas, la simulación del
funcionamiento y la programación de la celda.
Teleoperación
La constatación de
la dificultad de programar un robot para operaciones complejas y con capacidad
de adaptación a situaciones cambiantes ha hecho resurgir la idea de la
teleoperación. En un futuro próximo, la teleoperación asistida en la que el
robot es capaz de desarrollar ciertas operaciones ordenadas por el operador sin
necesidad de que éste tenga que realizarlas en detalle, y la utilización del
retorno sensorial a través del cual el operador experimenta las sensaciones de
la tarea, tendrán un desarrollo creciente.
Actualmente estas
técnicas están siendo ya aplicadas con éxito en tareas complejas de
mantenimiento y en campos de reciente introducción de la robótica, como la
construcción.
CONCLUSIONES
Los robots
industriales ocupan un lugar destacado dentro de la automatización de la
producción y su papel se ha ido consolidando en los últimos años. Después de un
descenso en las ventas, tanto en el conjunto del mundo como en España, que tuvo
su mínimo en 1993, el mercado de robots ha seguido una evolución creciente. No
obstante, la industria automotriz continúa siendo el sector mayoritario en
cuanto a utilización de robots, especialmente en España. Si bien la soldadura
en sus diversos tipos sigue siendo un campo muy importante de aplicación, el
número de robots dedicados al montaje en el conjunto del mundo es mayoritario.
En España, en cambio, la introducción de los robots en aplicaciones de montaje
es todavía muy reducida y constituye una asignatura pendiente de nuestra
industria.
Aunque resulta
difícil hacer previsiones de futuro en el desarrollo de la robótica, algunos
temas destacan de manera clara: las exigencias crecientes de fiabilidad y
eficiencia, la interfase hombre-máquina a través de sistemas gráficos y
programación fuera de línea, la importancia creciente de los sensores y de la
integración sensorial, la interconexión entre máquinas, la coordinación entre
robots y otras máquinas, y la teleoperación. Igualmente, es importante
mencionar los nuevos campos en expansión de aplicación de la robótica como la
exploración, la agricultura, la industria alimentaria y la medicina, que
complementarán en el futuro la ya tradicional robótica industrial.
No hay comentarios:
Publicar un comentario